[发明专利]基于双光谱吸收线和波形匹配的激光甲烷浓度测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及激光光谱学领域中的可调谐半导体激光吸收光谱测量技术，涉及激光光谱信号处理中信号调制技术及微弱信号处理方法，尤其是一种基于双光谱吸收线和波形匹配的激光甲烷浓度测量方法。

背景技术

瓦斯(主要成分：甲烷)突出及爆炸问题已成为煤矿安全的重要威胁，加强对瓦斯类危险气体的检测，已成为现代煤矿产业安全的基本保障。

采用气体分子激光吸收光谱技术实现的气体检测，具有精度高、反应快、抗气体干扰性强及非接触测量等特征，已成为现代气体检测的重点发展技术。对比目前常用的催化燃烧式检测技术，气体分子激光光谱吸收技术利用甲烷分子对激光吸收波长的独特性，确保仪器仅对甲烷气体产生感应检测，杜绝了其他气体对甲烷气体检测的干扰。而且，催化燃烧式甲烷检测技术在高浓度甲烷测量时，受氧气含量的影响，反而会出现浓度越高测量值越小的二值性误测问题，气体分子激光光谱吸收技术则从原理上杜绝了这种情况的发生。另外，由于气体分子激光光谱吸收技术采用的是甲烷分子与激光光子之间的作用效应，其测量过程的反应速度是其他任何技术都无法比拟的。随着半导体激光器工艺的发展和成本的降低，气体分子激光光谱吸收技术在气体检测行业中的广泛应用已成为必然趋势。

为了提高激光吸收光谱技术应用于气体浓度检测时的灵敏度,往往需要选择较强的气体吸收线，但是这就形成了最低检测限和量程之间的矛盾。以甲烷气体为例，利用气体分子激光光谱吸收技术实现高浓度气体检测时，强烈的甲烷气体吸收会使得吸收谱线信号饱和，造成测量值不能随着浓度的增加继续升高，量程受到限制。为解决问题，在保证测量精度的同时，提升测量量程范围达到0-100％，设计了一种基于双光谱吸收线波长线性扫描技术的激光甲烷浓度测量方法。该方法利用邻近双光谱吸收线的线性特性，实现了甲烷高/低浓度检测算法的自动切换，既确保了甲烷检测时的最低浓度检测限，又保证了高低浓度甲烷气体的全量程测量。

激光光谱测量技术应用过程中另一个难题是光路和电路中无处不在的干扰，常见情况包括：

(1)由于测量光路暴露在待测气体环境中，接收光电探测器很容易受到各种环境光的干扰；

(2)通过反射或者散射路径回到光电探测器的激光往往非常微弱，光电检测放大电路中的电噪声对光谱吸收波形的信噪比影响很大；

(3)有些测量环境，测量过程中反射激光的背景会发生变化，信号突变同样会对吸收波形造成干扰。

这些情况一旦发生，干扰就会改变甚至淹没实际气体吸收信号，导致的结果就是影响测量结果准确性，在一些有气体浓度报警要求的系统中会出现误报警情况。

本发明专利正是针对激光吸收光谱测量中存在的这些问题，采用波形匹配技术，根据标准吸收波形特征、剔除出现在两条吸收线附近的各种干扰和噪声，从而大大降低激光吸收光谱技术用于气体浓度测量时的误报率。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于双光谱吸收线和波形匹配的激光甲烷浓度测量方法，在保证激光甲烷浓度测量最低检测限的同时提高浓度测量范围，解决目前激光气体浓度测量技术中广泛存在的量程范围和最低检测限难以兼顾的矛盾，同时根据直接吸收波形特征进行实时波形匹配、解决激光吸收光谱测量过程中光路和电路中的干扰造成误报的问题。

本发明采用的技术方案是：

一种基于双光谱吸收线和波形匹配的激光甲烷浓度测量系统，其特征在于：包括有半导体激光器、光电探测器，半导体激光器发射的激光穿过待测甲烷气团由光电探测器接收，光电探测器的信号输出端与高线性度低噪声前置放大电路的信号输入端连接，高线性度低噪声前置放大电路的信号输出端与带通滤波与放大电路的信号输入端连接，带通滤波与放大电路的信号输出端与数据采集与处理电路的信号输入端，信号采集与处理电路的信号输出端一方面与带线性补偿的调制信号生成器的信号输入端连接，带线性补偿的调制信号生成器的信号输出端与电流驱动电路的信号输入端连接，电流驱动电路的信号输出端与半导体激光器控制连接；信号采集与处理电路的信号输出端另一方面通过采用与线性补偿调制信号对应的吸收波形匹配算法和双光谱吸收线浓度反演方法计算出待测甲烷气团的浓度并输出。

一种基于双光谱吸收线和波形匹配的激光甲烷浓度测量方法，其特征在于主要包括以下步骤：

(1)采用双光谱吸收线波长线性扫描技术对半导体激光器进行调制，输出波长线性扫描，扫描范围覆盖两个指定吸收线；

(2)通过待测甲烷气团的激光经光电探测器接收后进行前置放大、带通滤波放大和高速采集等处理后，采用吸收波形匹配算法与参考吸收线进行波形匹配，去除各种噪声、干扰，保留实际吸收线；